地?zé)豳Y源的同位素地球化學(xué)研究

■祝愛明　楊玉瓊　劉曉芳（贛中南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查研究院江西南昌330029）

地?zé)豳Y源的同位素地球化學(xué)研究

■祝愛明楊玉瓊劉曉芳
（贛中南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查研究院江西南昌330029）

近40年來，同位素地球化學(xué)發(fā)展迅速，同位素地球化學(xué)研究方法在地?zé)崮艿目碧胶烷_發(fā)研究中具有重要的作用。本文介紹了同位素地球化學(xué)方法的研究內(nèi)容，通過采用一些輕元素的同位素研究方法,如H、O、S同位素，揭示它們?cè)诖_定地?zé)崴梢蝾愋?、?jì)算地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)高度及測(cè)定地下熱儲(chǔ)層溫度等方面的作用，結(jié)合同位素地球化學(xué)研究方法在江西地?zé)豳Y源中的運(yùn)用以及贛南橫逕地區(qū)碳酸溫泉的同位素水文研究成果，最后總結(jié)了江西省在地?zé)崴耐凰厮牡厍蚧瘜W(xué)研究方面的發(fā)展，肯定了同位素地球化學(xué)研究方法在地?zé)豳Y源中的作用。

地?zé)豳Y源同位素地球化學(xué)同位素地球化學(xué)方法同位素水文研究

0　前言

地?zé)豳Y源是賦存于地球內(nèi)部的一種巨大的能源，它通過火山爆發(fā)、溫泉、間歇噴泉及巖石的熱傳導(dǎo)等形式不斷向地表傳送和散失[1]。在對(duì)地?zé)豳Y源的綜合研究中，常采用的方法有汞測(cè)量法、常規(guī)化探方法、水化學(xué)方法、地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)溫標(biāo)法、放射性及氣體測(cè)量法以及環(huán)境同位素示蹤方法等。

近年來，同位素在江西省地?zé)嵫芯恐械玫搅藦V泛應(yīng)用，利用同位素水文地球化學(xué)研究方法確定江西省的地?zé)崴梢蝾愋汀⒌責(zé)崴哪挲g等。

1　地?zé)豳Y源概況和地球化學(xué)研究方法

1.1地?zé)豳Y源概況

從全球地質(zhì)構(gòu)造觀點(diǎn)來看，大于150℃的高溫地?zé)豳Y源帶主要出現(xiàn)在地殼表層各大板塊的邊緣，如板塊的碰撞帶，板塊開裂部位和現(xiàn)代裂谷帶。小于150℃的中、低溫地?zé)豳Y源則分布于板塊內(nèi)部的活動(dòng)斷裂帶、斷陷谷和坳陷盆地地區(qū)。地?zé)豳Y源賦存在一定的地質(zhì)構(gòu)造部位,有明顯的礦產(chǎn)資源屬性。

1.2地球化學(xué)研究方法

在對(duì)地?zé)豳Y源的綜合研究中，常采用的地球化學(xué)方法有貢量測(cè)量法、常規(guī)化探方法、水化學(xué)方法、地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)溫標(biāo)法、放射性及氣體測(cè)量法以及環(huán)境同位素示蹤方法等。其中同位素地球化學(xué)對(duì)地?zé)豳Y源的勘探與開發(fā)研究有重要的意義及較好的效果。

2　同位素地球化學(xué)在地?zé)豳Y源中的研究

2.1同位素地球化學(xué)方法研究內(nèi)容

同位素地質(zhì)應(yīng)用是同位素地球化學(xué)的重要組成部分和研究的目的。由于同位素地球化學(xué)研究發(fā)展顯著，因此在地學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，目前主要體現(xiàn)以下三個(gè)方面：①地質(zhì)過程物理化學(xué)條件和環(huán)境指示、②同位素地質(zhì)定年、③地球化學(xué)示蹤。

2.2同位素地球化學(xué)研究方法的作用

目前用于解決水文地質(zhì)問題的同位素主要為一些輕(原子序數(shù)低的）元素的同位素。其中H、O同位素主要指示地下熱水的成因及其運(yùn)移途徑；S同位素說明硫的來源，進(jìn)而判斷地?zé)岬男再|(zhì)和成因；近年來，應(yīng)用C、He等氣體同位素研究地下熱水年齡及地下熱儲(chǔ)層的溫度等。

2.2.1確定地?zé)崴梢蝾愋?/p>

Craig H(1961）首先提出了大氣降水δD和δ18O值之間有明顯的線性關(guān)系：δD=8 δ18O+10，這個(gè)方程稱為全球大氣方程[2]，我國大氣降水線（圖1)為：δD=7.9 δ18O+8.2，與Craig線十分相近，判斷地下熱水的補(bǔ)給來源就是依據(jù)Craig的雨水線方程，地下水的同位素組成取決于降水的同位素組成及其在地下的循環(huán)過程，未經(jīng)同位素交換的地下水，其同位素組成和補(bǔ)給來源一致，如與圍巖發(fā)生水—巖交換反應(yīng)，地下水的同位素組成就會(huì)發(fā)生變化。Craig H (1966）分析了大量地?zé)崴摩腄和δ18O值，發(fā)現(xiàn)在δD—δ18O關(guān)系圖上，任何地區(qū)地?zé)崴摩腄值與當(dāng)?shù)卮髿饨邓摩腄值保持一致，而δ18O表現(xiàn)為不同程度的氧漂移，這是由于再循環(huán)大氣水與硅酸鹽和碳酸鹽圍巖進(jìn)行氧同位素交換的結(jié)果，氧同位素的漂移不僅與熱水的溫度有關(guān)，還與圍巖的δ18O值，水-巖比值和熱水在儲(chǔ)庫中的逗留時(shí)間有關(guān)。

圖1　大氣降水線

通過對(duì)不同區(qū)域不同地質(zhì)背景條件下的研究基本上對(duì)地?zé)崴钠鹪从幸粋€(gè)共識(shí)，即地?zé)崴摩腄和δ18O沿大氣降水分布，并未發(fā)現(xiàn)明顯的氧漂移，說明其成因是大氣降水起源的，而且中國各地區(qū)的地?zé)崴疁囟容^低，屬于低溫?zé)崴?，可以確定其深部熱儲(chǔ)溫度也不高，屬于正常地?zé)岜尘皸l件下的地?zé)嵩鰷氐牡責(zé)豳Y源。中國大多數(shù)的地?zé)崴紝儆谶@種情況。

總結(jié)：循環(huán)型地下熱水（服從大氣降水特征），封存型地下熱水（富含18O和貧氘為特征），我國大部分地?zé)崴梢虿皇窃膸r漿水，而是地區(qū)性的大氣降水。

2.2.2地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)高度的計(jì)算

按照H、O穩(wěn)定同位素的高層效應(yīng)原理，即：δD隨地下水補(bǔ)給高程的增大而減小

H=δg-δp/K+h

H—同位素入滲高度（m）；

H—取樣點(diǎn)（井、泉）高層（m）；

δg——地下水（泉水）的大氣降水的δ18O或δD值；

δp——取樣點(diǎn)附近的大氣降水的δ18O或δD值；

K——大氣降水δ18O或δD值的高度梯度（-δ 100m）

2.2.3同位素確定地下熱儲(chǔ)層的溫度

穩(wěn)定同位素方法測(cè)定地下熱儲(chǔ)層的溫度，目前常用的同位素溫度計(jì)有:氧、氫、碳和硫等四類同位素溫度計(jì)。通常，在規(guī)模中等的地?zé)崽铮涞責(zé)崴诘責(zé)醿?chǔ)中的平均滯留時(shí)間都在50年以上。因此，半平衡期為1—10年的溫度計(jì)最為理想。地?zé)崽镏谐Ｒ姷幕衔飳?duì)SO4-H2O對(duì)最符合這一條件，效果也較好，因此，它是目前常用的一種同位素溫度計(jì)。

2.2.4其他應(yīng)用

2.2.4.1地?zé)崴蜏\層地下冷水比例的確定：

地?zé)崴上孪蛏线\(yùn)動(dòng)至地?zé)嵯到y(tǒng)上部時(shí)，往往會(huì)不同程度的發(fā)生與淺層冷水的混合。把同位素質(zhì)量平衡原理運(yùn)用到計(jì)算冷熱水的混合比例中，根據(jù)同位素組成（以氚為例），可以得到方程：

X+Y=1；TbX+TcY=Tm(X+Y)

X—熱水所占比例（%）；

Y—冷水所占比例（%）

Tb—熱水氚含量（TU）；

Tc—冷水氚含量（TU）；

Tm—混合水氚含量（TU）

2.2.4.2氚過量參數(shù)在地?zé)嵫芯恐械膽?yīng)用

Dansgaard W提出氘過量參數(shù)（d）：d=δD-8δ18O。當(dāng)確定了當(dāng)?shù)卮髿饨邓匠淌胶?，氘過量參數(shù)d值總是恒定在一定的區(qū)間范圍內(nèi)，不受季節(jié)，高度等因素的影響。地下水相對(duì)于當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓膁值存在著降低的趨勢(shì)。水-巖作用越強(qiáng)烈，O同位素交換程度越高，地下水d值就越小。同一地區(qū)同一含水層，補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)d值逐漸降低，二者之間水的d值差異越大，表明水在含水層內(nèi)滯留時(shí)間越長，徑流速度越快。d值從高到底的梯度變化也指示了地下水的徑流方向。

2.2.4.3環(huán)境同位素方法推算地下熱水的年齡

放射性同位素不受溫度、壓力或化學(xué)組分等外界條件的影響，而以一定的速率衰變。每種放射性元素的半衰期是一個(gè)常數(shù)，利用這一特性，可以測(cè)定地下水的年齡。地下水的年齡一般都較小，所以通常利用半衰期不很長的環(huán)境天然放射性同位素，目前比較成熟的是碳-14（14C)方法測(cè)定地下水的年齡。地下熱水也可采用14C，14C的半衰期為5730±40年，按目前的技術(shù)水平，可測(cè)定500年到25000-30000年的年齡，但在具體運(yùn)用中，有一系列因素在干擾14C測(cè)定地下水的年齡，因此，在利用14C測(cè)定地下水的年齡時(shí)，往往需要進(jìn)行校正。

另一種確定地下水年齡的方法是反射性同位素氚，它的半衰期為12.26年。氚在地下水中的含量很小，只有幾個(gè)到幾十個(gè)氚單位，用氚通?？梢源_定數(shù)年至50年內(nèi)形成的地下水的年齡。

3　江西地?zé)崴耐凰靥卣?/h2>

近年來，同位素在江西省地?zé)崴难芯恐械玫搅藦V泛的應(yīng)用，江西省大氣降水線與Craig線近似，本省地?zé)崴摩腄、δ18O值與區(qū)域降水線基本一致，說明了地?zé)崴蟛糠謱僦械蜏匮h(huán)型地下熱水，起源于降水補(bǔ)給，通常高溫條件下的水—巖反應(yīng)，往往導(dǎo)致地?zé)崴摩?8O值高于補(bǔ)給的大氣降水，這即所謂的“氧漂移”，而江西為中低溫地?zé)崴捎谄渌疁鼐∮?0℃，為發(fā)現(xiàn)明顯的“氧漂移”現(xiàn)象，反應(yīng)了其深部熱儲(chǔ)溫度不高，屬正常地?zé)岜尘跋碌纳钛h(huán)增溫型的低焓地?zé)豳Y源，與火山、巖漿熱源無關(guān)[3]。

大氣降水的δD、δ18O值和氣溫呈線性關(guān)系，海拔越高，溫度越低，δD、δ18O值也就越低，即通常所講的高程效應(yīng)，江西省大氣降水的氫、氧穩(wěn)定同位素組成，具有比較明顯的高程效應(yīng)。同位素高程變化的研究揭示了地?zé)崴难a(bǔ)給區(qū)，與傳統(tǒng)的水文地球化學(xué)方法研究結(jié)果一致，降水的δD、δ18O值和地?zé)崴季哂忻黠@的緯度效應(yīng)，兩者就有良好的一致性，采用諸如Ra/Rn法、14C法等不同方法，測(cè)得我省地?zé)崴挲g變化范圍大多在幾十至幾百年。

4　贛南橫逕地區(qū)碳酸溫泉的同位素研究

贛南是江西省現(xiàn)代水熱活動(dòng)最活躍的地區(qū)，全省已發(fā)現(xiàn)的96處溫泉中有半數(shù)以上分布于此，其中，最南端的尋烏縣橫逕地區(qū)，溫泉尤為集中，且溫泉水多有CO2等氣體逸出，大多屬碳酸泉。

4.1構(gòu)造概況

橫逕地區(qū)位于華南褶皺系九連山，武夷山隆起帶的交匯處，出露的地層主要有下侏羅統(tǒng)砂巖和礫巖，上侏羅統(tǒng)凝灰?guī)r和礫巖及上白堊紀(jì)統(tǒng)紅色礫巖和砂巖等，區(qū)內(nèi)中生代巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，出露的火成巖主要有燕山早期黑云母花崗巖及流紋斑巖等，斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要斷裂方向?yàn)镹NE及配套的NW向，這些斷裂規(guī)模大、切割深，控制著火成巖、紅盆及溫泉的分布，研究區(qū)地震活動(dòng)頻繁，區(qū)內(nèi)數(shù)十年來發(fā)生了多次中小地震，反映了區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造仍處于活動(dòng)之中，有利于地下熱水的活動(dòng)和地球脫氣作用的進(jìn)行。

前人的研究表明，贛南地區(qū)大地?zé)崃髦到橛?2.1~79.9mw/m2，平均值為74.10±13.68（SD)mw/m2，明顯高于全省平均值，屬于偏高的地?zé)岜尘埃梢?，本區(qū)活動(dòng)的斷裂構(gòu)造和偏高的地?zé)岜尘盀閰^(qū)內(nèi)溫泉水的形成創(chuàng)造了有利條件。

4.2控制因素

溫泉出露于白堊系沉積巖與花崗巖接觸的斷裂帶中。斷裂裂隙的存在有利于地下水的滲入補(bǔ)給且為地下水深循環(huán)提供通道，可使常溫地下水在深循環(huán)過程中獲得地球內(nèi)部的熱能并轉(zhuǎn)變?yōu)榈責(zé)崴Ｔ搮^(qū)溫泉的出露主要受北東向壓扭性斷裂與近東西向張扭性斷裂的雙重控制。構(gòu)造破碎帶往往是儲(chǔ)水空間和導(dǎo)水通道，而白堊系紅層起到保溫作用?；◢弾r體與火成巖接觸帶有利于降水入滲和出露成泉。

4.3橫逕同位素水文研究成果

溫泉水的δD值變化于-47‰~-57‰之間，δ18O-值變化于5.9‰~-7.4‰之間，可以近似得出橫逕地區(qū)大氣降水線方程為δD=8.33δ18O+8.52（相關(guān)系數(shù)為0.97），溫泉水的氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)標(biāo)大致落在降水線附近，反應(yīng)了其大氣降水補(bǔ)給的特點(diǎn)，這些溫泉大部分都存在一定的正向氧漂移，但氧漂移不夠明顯，這反映了其深部熱儲(chǔ)溫度不高，屬偏高地?zé)岜尘皸l件下的深循環(huán)增溫型的中低溫地?zé)豳Y源。

借用江西中部的高度梯度公式，得出本區(qū)溫泉水的補(bǔ)給區(qū)高度平均約為400~710m,溫泉?dú)夂ね凰亟M成（3He/4He）變化于1.9× 10-6~2.95×10-6之間，R/Ra為1.36~2.11.均大于1，屬幔源溫泉?dú)?；地?zé)酑O2氣體的δ13C值變化于-5.50‰至-4.43‰。具有明顯的深源碳特征?？梢?，該區(qū)溫泉水中氣體組分可能主要來源于深部。

5　結(jié)語

結(jié)合以上研究，可以得出江西省地?zé)崴耐凰厮牡厍蚧瘜W(xué)研究已有一定程度的發(fā)展，但仍未廣泛應(yīng)用于地?zé)豳Y源勘探中。同位素研究方法在地質(zhì)研究中應(yīng)用廣泛，如：可以判斷地?zé)崴梢蝾愋?，確定補(bǔ)給區(qū)高度，推測(cè)地?zé)崴哪挲g，測(cè)定地下熱儲(chǔ)層的溫度等。目前，用于解決水文地質(zhì)問題的同位素主要是一些輕元素的同位素，應(yīng)用C、He等氣體同位素研究地?zé)崴袣怏w組分的起源及對(duì)深部氣床的可能指示也成為地?zé)嵫芯恐械臒狳c(diǎn)之一。

[1]朱炳球,朱立新,史長義,等.地?zé)崽锏厍蚧瘜W(xué)勘察[M].北京:地質(zhì)出版社,1992.II.

[2]Craig H.Science[J]1961;33:1833-1834.

[3]孫占學(xué)等,江西省中低溫?zé)崴耐凰厮牡厍蚧瘜W(xué).華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)[J],15 (3),1992..

[4]孫占學(xué)等,江西省橫逕溫泉區(qū)地?zé)釟怏w地球化學(xué).現(xiàn)代地質(zhì)[J].現(xiàn)代地質(zhì).2004.

P59[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-1-172-2